采煤機(jī)新型五鉆頭結(jié)構(gòu)的仿真分析

趙 彥

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司馬脊梁礦， 山西 大同 037000）

引言

在我國(guó)薄煤層的開采中，由于開采空間較小，使得設(shè)備的自動(dòng)化綜合開采難度較大，再加上薄煤層開采的成本較高，綜合效益低，同時(shí)存在著有些煤礦具有地質(zhì)條件較好的井下煤開采，使得薄煤層的開采處于落后的水平[1]。鉆式采煤機(jī)的出現(xiàn)為薄煤層的開采提供了新的方式，隨著煤炭需求量的增加及煤礦資源的減少，采用鉆式采煤機(jī)對(duì)薄煤層進(jìn)行高效率的開采，成為了各煤礦進(jìn)行研究的熱點(diǎn)。

1 鉆式采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)

鉆式采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括主機(jī)支架、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆頭、通風(fēng)系統(tǒng)及穩(wěn)定器，此外還包括控制平臺(tái)及液壓系統(tǒng)等，在主機(jī)支架上，采用液壓裝置進(jìn)行推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)鉆頭的進(jìn)退，進(jìn)行采煤；進(jìn)行扭矩輸出的液壓馬達(dá)，也安裝于主機(jī)支架上，通過(guò)聯(lián)軸器的傳遞驅(qū)動(dòng)鉆桿，鉆頭安裝于鉆桿之上[2]。進(jìn)行開采的過(guò)程中，由鉆頭進(jìn)行破煤工作，鉆桿進(jìn)行裝煤及向外的輸送，通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)工作面進(jìn)行通風(fēng)，保證工作面開采的安全[3]。鉆式采煤機(jī)在進(jìn)行開采工作中，鉆頭的穩(wěn)定性對(duì)于煤炭的開采至關(guān)重要，在鉆式采煤機(jī)的應(yīng)用中，常采用三鉆頭或五鉆頭的結(jié)構(gòu)，由于五鉆頭結(jié)構(gòu)相比三鉆頭結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性，本文依據(jù)某型號(hào)的鉆式采煤機(jī)，針對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)鉆式采煤機(jī)工作的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2 五鉆頭結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

鉆式采煤機(jī)在進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，其鉆頭工作部分需要深入到煤層中，軸向長(zhǎng)度較大，并且在鉆削過(guò)程中，煤層作用的載荷使得鉆頭的工作部分極不穩(wěn)定，容易使鉆桿發(fā)生偏斜，導(dǎo)致開采鉆進(jìn)的偏斜，對(duì)鉆頭的穩(wěn)定性進(jìn)行研究對(duì)于鉆式采煤機(jī)的正確使用具有重要的作用。

對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)的鉆式采煤機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由于鉆頭和鉆桿組成的工作部分隨著開采深度的增加，其長(zhǎng)徑比越來(lái)越大，在進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)工作部分進(jìn)行一定的假設(shè)：將煤壁層的開孔作為均勻的剛形體，對(duì)鉆頭產(chǎn)生反作用力并產(chǎn)生一定的約束作用[4]；鉆桿作為均勻的彈性圓柱桿，并受到剛度的影響；對(duì)于鉆桿的切向變形及鉆桿與煤壁層之間的摩擦力等非線性因素不予考慮，并且不考慮偏斜狀態(tài)的情形。由此，依據(jù)某型號(hào)的鉆式采煤機(jī)，采用SolidWorks 對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。

對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)系統(tǒng)的固有頻率來(lái)反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由于每一階模態(tài)具有特定的固有頻率，固有頻率反映系統(tǒng)的剛度，固有頻率的數(shù)值低表示系統(tǒng)的剛度較小，反之，較高的固有頻率則表明系統(tǒng)的剛度較好，在不同固有頻率下的振型，則是在某一特定頻率下的變形狀態(tài)。通過(guò)對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以確定五鉆頭結(jié)構(gòu)的固有頻率，反映系統(tǒng)的剛度，同時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)在特定頻率下的變形趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用模態(tài)分析的方式是對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析的一種重要的方法，同時(shí)可以為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)[5]。在建模過(guò)程中，由于鉆頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在進(jìn)行建模及分析時(shí)會(huì)造成大量的工作及計(jì)算，對(duì)于系統(tǒng)中較為復(fù)雜但對(duì)系統(tǒng)性能沒有影響的結(jié)構(gòu)，采用簡(jiǎn)化模型的方式進(jìn)行處理，以此來(lái)得到五鉆頭結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。建立了五鉆頭結(jié)構(gòu)的模型之后，對(duì)模型進(jìn)行一定的材料及參數(shù)賦值，對(duì)模型進(jìn)行有限元模型的網(wǎng)格劃分，其有限元模型如下頁(yè)圖1 所示，由此，對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行分析。

在進(jìn)行分析過(guò)程中，由于五鉆頭結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度由鉆桿的節(jié)數(shù)決定，針對(duì)不同節(jié)數(shù)的鉆桿，對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行分析，分別設(shè)置鉆桿的數(shù)量為6～15 等四種情況，對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行整理如圖2 所示。

圖1 鉆式采煤機(jī)五鉆頭結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖2 不同長(zhǎng)度的五鉆頭結(jié)構(gòu)的固有頻率變化

針對(duì)圖2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于三階以上的變形模式在實(shí)際開采過(guò)程中較少出現(xiàn)且較為復(fù)雜，僅針對(duì)二階固有頻率進(jìn)行分析。從圖中可以看出，在不同長(zhǎng)度下的五鉆頭結(jié)構(gòu)的固有頻率隨著長(zhǎng)度的增加，固有頻率的數(shù)值逐漸降低；同時(shí)，在不同的長(zhǎng)度下的五鉆頭結(jié)構(gòu)，其剛性彎曲和一階、二階彎曲所在的頻率范圍各不相同，且相互不同階數(shù)間的差值各不相同，這說(shuō)明，五鉆頭結(jié)構(gòu)在不同的長(zhǎng)度時(shí)對(duì)共振的敏感程度不同。隨著鉆桿節(jié)數(shù)的增加，則各階固有頻率之間的差值呈現(xiàn)越來(lái)越小的變化，這說(shuō)明，隨著工作長(zhǎng)度的增加，五鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)同一激振頻率的敏感性增加，越容易引起系統(tǒng)的共振；因此，對(duì)于五鉆頭工作結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，隨著鉆進(jìn)深度的變化，要對(duì)于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行不斷地調(diào)整，避免同一轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生共振現(xiàn)象，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用一定的防偏措施，保證鉆頭工作的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

采用ANSYS Workbench 對(duì)五鉆頭結(jié)構(gòu)的工作部分進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)不同長(zhǎng)度及不同階數(shù)下的固有頻率進(jìn)行分析，結(jié)果表明，鉆頭的工作長(zhǎng)度越大，則其剛性越差；隨著工作長(zhǎng)度的增加，則對(duì)于同一激振頻率的敏感性越強(qiáng)，因此，在工作過(guò)程中，要根據(jù)鉆頭的工作狀態(tài)對(duì)鉆頭的工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。